(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路幅が異なる並進する２本の導波路からなる方向性結合器を含む平面光波回路から構成される光回路において、
当該平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、
当該平面光波回路は、Ｅ11モード（ただし、横方向電磁界成分のＸ軸方向の山の数がｐ個で、横方向電磁界成分のＹ方向の山の数がｑ個である電磁界モードをＥｐｑと表す）からＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）のうち少なくとも一つの横モードが伝播する平面光波回路であって、
前記２本の導波路は、Ｅ１1モードからＥＮ1モード（Ｎは２以上の整数）の横モードのうちの任意の２つの横モード間で変換および合波分離を行うよう、前記２本の導波路間のギャップおよび相互作用長が、当該２本の導波路のＹ方向１次の横モード群とＹ方向高次の横モード群との分散曲線の相似性に基づいて設定されており、
当該コア厚さを有する平面光波回路における前記２本の導波路のうちの曲げ部分を有する導波路において、Ｅ11モードが当該導波路の前記曲げ部分に閉じ込められて伝播するよう、当該導波路を水平方向（Ｘ方向）に曲げることができる最小曲げ半径をＲmin,11に、Ｅ11モード及びＥ1Ｍモードの正規化伝播定数を其々ｂ11、ｂ1Ｍに、それぞれした時、当該平面光波回路の曲げ半径Ｒが、Ｒmin,11×ｂ11÷ｂ1Ｍより大きいことを特徴とする光回路。
【請求項２】
スラブ導波路と、当該スラブ導波路に接続された入力導波路および出力導波路とを有する平面光波回路から構成される光回路において、
当該平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、
当該平面光波回路において、前記入力導波路および出力導波路はＥ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの少なくとも一つの横モードが伝播する導波路であって、
Ｅ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの前記入力導波路の一つから入力される一つの横モードが、前記スラブ導波路の端部で分岐比が１：１で分岐されるよう、当該スラブ導波路のＹ方向１次の横モード群とＹ方向高次の横モード群との分散曲線の相似性に基づいて、前記スラブ導波路の幅および長さと、前記入力導波路および出力導波路の前記スラブ導波路への接続位置とが設定されており、
当該コア厚さを有する平面光波回路における前記入力導波路および出力導波路のうちの曲げ部分を有する導波路において、Ｅ11モードが当該導波路の曲げ部分に閉じ込められて伝播するよう、当該導波路を水平方向（Ｘ方向）に曲げることができる最小曲げ半径をＲmin,11に、Ｅ11モード及びＥ１Ｍモードの正規化伝播定数を其々ｂ11、ｂ１Ｍに、それぞれした時、当該平面光波回路の曲げ半径Ｒが、Ｒmin,11×ｂ11÷ｂ１Ｍより大きいことを特徴とする光回路。
【請求項３】
請求項２に記載の光回路を複数含んでなる光回路群と、当該光回路群に含まれる複数の光回路を相互に接続する光遅延導波路とを含む平面光波回路であって、
当該平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、
当該平面光波回路において、前記光遅延導波路はＥ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの少なくとも一つの横モードが伝播する光遅延導波路であって、
当該コア厚さを有する平面光波回路における前記光遅延導波路の曲げ部分において、Ｅ11モードが当該導波路の曲げ部分に閉じ込められて伝播するよう、当該導波路を水平方向（Ｘ方向）に曲げることができる最小曲げ半径をＲmin,11に、Ｅ11モード及びＥ1Ｍモードの正規化伝播定数を其々ｂ11、ｂ1Ｍに、それぞれした時、当該光遅延導波路の曲げ半径ＲがＲmin,11×ｂ11÷ｂ1Ｍより大きいことを特徴とする光回路。
【請求項４】
平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、
当該平面光波回路は、Ｅ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの少なくとも一つの横モードが伝播する平面光波回路であって、
コア上部の一部を少なくとも３箇所以上の非等幅の溝を形成することにより除去し、除去部と非除去部との間に、光信号光の半波長分の光路長差を付与することにより、Ｅｐ1モードとＥｐＭモード（ｐは１以上の整数）とのモード変換を行うことを特徴とする光回路。
【請求項５】
複数の入力ポートに入力された基本モード（Ｅ11モード）入力信号光について、  請求項４に記載の光回路をＮ組Ｍ種類（計Ｍ×Ｎ個、Ｎ，Ｍは、２以上の整数）使用して、Ｅ11モードからＥ1MまでのＮ組の横モード光に変換出力し、
さらに、請求項３に記載の光回路をＮ個使用して、Ｅ11モードからＥ1MまでのＮ組の横モード光を、其々｛Ｅ1Y｝モード群にモード合波し、
さらに、請求項１に記載の光回路を使用して、Ｎ組の｛Ｅ1Y｝モード群を其々｛Ｅ1Y｝モード群から｛ＥNY｝モード群にモード変換し、同時に各組を一つの出力ポートに出力することにより、
複数の基本モード光を、複数の横モード光が混在した出力信号光に変換して出力することを特徴とする光回路。
【請求項６】
一つの入力ポートに入力された複数の横モード光が混在した入力信号光について、請求項１に記載の光回路を使用して、｛Ｅ1Y｝モード群から｛ＥNY｝モード群までのＮ組にモード分離し、同時に各組を其々｛Ｅ1Y｝モード群にモード変換し、
さらに、請求項３に記載の光回路をＮ個使用して、当該モード変換されたＮ組の｛Ｅ1Y｝モード群を、其々Ｅ11モードからＥ1MまでのＭ個の横モード光に分離し、
さらに、請求項４に記載の光回路を使用して、当該Ｎ組Ｍ個（計Ｎ×Ｍ個）に分離された横モード光を其々Ｅ11モードに変換し、複数の出力ポートに出力することにより、
複数の横モード光が混在した入力信号光を、横モードの種類毎に分離し、且つ基本モードに変換して出力することを特徴とする光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量伝送が期待されるマルチモード伝送に使用する光デバイスに係わり、特に、低廉で小型であり且つ故障率が小さい実用的な光伝送装置を実現するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及、新興諸国の通信需要の勃興により、伝送容量拡大に対する要求はとどまる所を知らない。今まで、光増幅技術、波長多重化技術、多値符号化技術などの発明・開発により急速に伝送容量拡大が達成されてきたが、さらに飛躍的な拡大方法の実現が求められている。その中で、マルチコア伝送やマルチモード伝送など伝送媒体にも踏み込んだ技術開発が、近年注目を集めている。
【０００３】
非特許文献１は、マルチモード伝送の実験報告の一例である。３信号だけではあるが、マルチモードファイバを使用して多重伝送したという基礎的な実験報告である。送信時の多重化では、マルチモードファイバの中心と、信号光の入力位置とのオフセット量を変えることにより各伝播モードへの結合率に違いを与えようという工夫がなされ、受信時の信号分離には、オフセットを変えて受信した信号を、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術で復号化するという工夫が為されている。ＭＩＭＯ技術による伝送には、送信時および受信時の信号間の混合の度合いが大きくても、すなわちモード合波器およびモード分離器のモード間消光比が悪くても伝送できるという特徴がある。
【０００４】
しかし、報告では、ＭＩＭＯ技術による信号分離は、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）を使用したオフライン処理でなされている。電子回路の技術革新により無線伝送ではＭＩＭＯ技術による送受信はごく一般的に商用化されているが、光伝送では使用されているシンボルレートが高いため、リアルタイムでの処理は現時点では容易に商用化できる段階にはない。さらに、マルチモード伝送と併用が求められている多値符号化技術において、一般的な方式であるデジタルコヒーレント検波方式では、既に、電子回路に求められている負荷が極めて大きいこと、マルチモード伝送で求められている多重化の程度は少なくとも１０波以上であることを鑑みると、ＭＩＭＯ技術によるリアルタイム伝送の実現は、電子回路の性能や推定される消費電力から、さらなる大きな技術革新が必要である。
【０００５】
ＭＩＭＯ技術による信号分離に伴う電子回路の負荷を回避あるいは低減する方法としては、電子回路段階ではなく、光回路段階で信号分離する方法、すなわちモード間結合の小さい伝送路と、モード間消光比が高い光モード合波・分離器を実現し、それらを使用する方法がある。
【０００６】
非特許文献２は、モード間結合の小さい伝送路についての報告例である。市販のシングルモードファイバとほぼ同じコア断面積を有し、比屈折率差は約２倍のΔ０．７％としている。さらに、コア断面は、扁平な形状をしており、かつ、偏波多重されているモードを別個にカウントしている。一般的なマルチモードファイバであるＧＩ５０に比べ、コア断面積が限定されているため、伝播可能なモード数は、１０数個と少ないが、偏光による縮退を除けば、扁平コアの工夫により、第１から第１０モードまでモード間の屈折率差を大きく設定できている。モード間の等価屈折率差が大きいということは、すなわち曲げ等によるモード間結合の発生が小さいことを意味し、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）等を使用して偏波分離できることを考慮すれば、モード数が１０と少なめではあるが、モード間結合の小さい伝送路は、このような扁平コアの光ファイバを使用すれば実現可能であることを示している。
【０００７】
非特許文献３は、ホログラムを使用したモード合波・分離器の報告例である。理論上５０のモード合波・分離が可能であると報告しているが、報告では、実際に分離したモード数は３つであり、研究開発途上の光回路である。しかし、このような空間バルク型の素子は、一般的に回路サイズが大型化しやすく、また部品点数の多さや調整必要箇所の多さから低コストでの量産が難しい。さらには振動対策や信頼性の確保など回路毎に開発・解決しなければならない課題も多い。
【０００８】
一方、量産化や信頼性確保などで実績がある素子として平面光波回路があげられる。非特許文献４，５，６では、導波路型のモード合波・分離器が報告されている。そのなかでも、非特許文献４、６では、モード合波・分離の他にモード変換機能も同時に有した平面光波回路が報告されている。これらの回路は、いずれもフォトマスク設計上の工夫だけで実現できる回路であり、煩雑あるいは特殊な製造工程を必要とせず、他の平面光波回路と同等の量産性や信頼性が容易に得られることは言うまでもない。
【０００９】
図１は、非特許文献６に示したモード合波・分離器の動作原理を説明する図である。導波路幅が異なる２本の併走する導波路から構成されている。図１（ａ）に示すように細幅の導波路の基本モード光と、太幅の導波路の高次モード光とは其々の横モードの裾野が互いに僅かにオーバーラップしている。すなわち、２つのモードは、弱いながらも互いに結合している。
【００１０】
図１（ｃ）は、石英系導波路を伝播する各横モード光の有効屈折率が導波路幅に対してどう変化するかを表したグラフである。細幅導波路の幅を３．５μｍ、太幅導波路の幅を９．８μｍとした時、基本モード光と１次の高次モード光の等価屈折率が等しくなる。すなわち２つのモードの位相整合がとれる。２つのモードが互いに結合し位相整合が取れている場合に、作用長を適切に設計すれば、２つのモード間の強い結合、すなわち高い変換効率でのモード変換が実現できる。
【００１１】
図１（ｂ）のように、細幅導波路に基本モード光を入れたとき、９７％以上の効率で１次の高次モード光に変換され、太幅導波路に出力されることが観測されている。他の次数の高次モード光は、位相整合がとれていないため変換されたとしても極めて小さく、その観測値は、−２０ｄＢ以下であった。一方、太幅導波路に基本モード光を入れたときは、結合や変換されることなく、基本モード光のまま太幅導波路から出力される。すなわち非等幅の方向性結合器によりモード変換・合波器が実現できる。いうまでもないが、逆方向から光信号を入力すれば、同じ回路でモード変換・分離器が実現できる。また、導波路幅を３．５μｍと１６．３μｍに設定すれば基本モード光と２次の高次モード光とのモード変換・合波分離器が実現でき、導波路幅を３．５μｍと２２．５μｍに設定すれば、基本モード光と３次の高次モード光とのモード変換・合波分離器が実現できる。さらには、上記の非対称方向性結合器を直列に接続すれば、基本モード、１次、２次、３次の高次モードの４つのモードのモード変換・合波分離器も実現できる。
【００１２】
また、図２に、非特許文献７に記載されている、Ｍａｒｃａｔｉｌｉによる三次元光導波路におけるモードの命名法とそのモード分布の例を示す。この命名方法では、横方向電磁界成分のＸ軸方向の山の数がｐ個で、横方向電磁界成分のＹ方向の山の数がｑ個である電磁界モードをＥpqモードと表す。他にも電界（磁界）成分がゼロになる箇所の数を数える命名法等もある。その場合、Ｅpqモードは、ＴＥp-1,q-1（ＴＭp-1,q-1）に対応する。なお、本明細書では、以降Ｍａｒｃａｔｉｌｉによる命名法を使用して説明する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｓｔｅｆａｎ  Ｓｃｈｏｌｌｍａｎｎ，  ｅｔ．  ａｌ．，  ”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｒｅａｌｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ３  ｘ  ３  ＭＩＭＯ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｄｅ  Ｇｒｏｕｐ  Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  Ｌｉｍｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｍｏｄａｌ  Ｎｏｉｓｅ”ＯＦＣ２００８  ＪＷＡ６８  （２００８）
【非特許文献２】久保田他「扁平コア数モードファイバの伝播モード」レーザー学会第３１回年次大会  Ｇ．１．２  （２０１０）
【非特許文献３】Ｋ．Ｍｏｒｉｔａ，  ｅｔ．  ａｌ．，  ”Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ  ｔｏ  ＷＤＭ  ｏｆ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｆｏｒ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｍｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ”，ＯＥＣＣ２０１０  ７Ｅ４−３  （２０１０）
【非特許文献４】Ｊ．Ｒ．  Ｋｕｒｚ，  ｅｔ．  ａｌ．，  ”Ｍｏｄｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｉｘｅｒｓ”，  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ２９，  ５５１  （２００４）
【非特許文献５】Ｈ．  Ｊｉａｎｇ，  ｅｔ．  ａｌ．，  ”Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｗｉｄｅ  ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ  ｗｉｎｄｏｗ  ｂｉ−ｓｔａｂｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ  ｕｓｉｎｇ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｌａｔｅｒａｌ  ｍｏｄｅ  ｐａｔｈｓ  ｉｎ  ａｃｔｉｖｅ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”，  ＭＯＣ’０９  Ｇ５  （２００９）
【非特許文献６】Ｍ．  Ｏｇｕｍａ  ｅｔ．  ａｌ．，  “Ｗｉｄｅ  ｐａｓｓｂａｎｄ  ｔａｎｄｅｍ  ＭＺＩ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ  ＡＷＧ  ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ａｎｄ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ”，  ＩＥＩＣＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｅｘｐ．  ７，  ８２３  （２０１１）
【非特許文献７】岡本勝就著  「光導波路の基礎」  コロナ社１９９２
【非特許文献８】國分泰雄著  「光波光学」  共立出版１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、平面光波回路型のデバイスでの従来の報告は、水平方向での高次モード光の制御に関する報告が主になされており、垂直方向も含めた高次モード光の制御、とくに高い消光比を実現するモード変換・合波分離器については、実用的な回路の報告はなかった。そのため、Ｅ11モードからＥXYモード（Ｘ、Ｙは２以上の整数）への高効率な変換と合波分離を行うには、比屈折率差が異なる導波路を同一基板上に作製するか、積層導波路を使用する等の煩雑な製造プロセスが必要であろうと思われていた。
【００１５】
本発明は、煩雑な製造プロセスを経ずに、量産性や信頼性に優れた平面光波回路を使用して、水平方向と同時に垂直方向の高次モードも制御できる光回路を提供することを目的とし、かつ、本発明の光回路を使用することにより、実用的なマルチモード大容量伝送に必要とされる低廉で小型であり、且つ、信頼性の高いモード変換・合波分離器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、導波路幅が異なる並進する２本の導波路からなる方向性結合器を含む平面光波回路から構成される光回路において、当該平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、当該平面光波回路は、Ｅ11モード（ただし、横方向電磁界成分のＸ軸方向の山の数がｐ個で、横方向電磁界成分のＹ方向の山の数がｑ個である電磁界モードをＥｐｑと表す）からＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）のうち少なくとも一つの横モードが伝播する平面光波回路であって、前記２本の導波路は、Ｅ１1モードからＥＮ1モード（Ｎは２以上の整数）の横モードのうちの任意の２つの横モード間で変換および合波分離を行うよう、前記２本の導波路間のギャップおよび相互作用長が、当該２本の導波路のＹ方向１次の横モード群とＹ方向高次の横モード群との分散曲線の相似性に基づいて設定されており、当該コア厚さを有する平面光波回路における前記２本の導波路のうちの曲げ部分を有する導波路において、Ｅ11モードが当該導波路の前記曲げ部分に閉じ込められて伝播するよう、当該導波路を水平方向（Ｘ方向）に曲げることができる最小曲げ半径をＲmin,11に、Ｅ11モード及びＥ1Ｍモードの正規化伝播定数を其々ｂ11、ｂ1Ｍに、それぞれした時、当該平面光波回路の曲げ半径Ｒが、Ｒmin,11×ｂ11÷ｂ1Ｍより大きいことを特徴とする。
【００１７】
請求項１に係る発明によれば、｛ＥX1｝モード群内でのモード変換・合波分離が行われるように設計すれば、同一の回路で｛ＥXY｝モード群内でのモード変換・合波分離も同時に行うことができる。また、必要最小限の曲げ半径で、｛Ｅ1Y｝モードの曲げ損失が小さいファンアウト導波路等が設計できる。その結果、複数のモード群のモード変換・合波分離を単一の素子で同時に実現でき、かつチップサイズは必要最小限で且つ低損失な光回路が実現できる。
【００２１】
請求項２に係る発明は、スラブ導波路と、当該スラブ導波路に接続された入力導波路および出力導波路とを有する平面光波回路から構成される光回路において、当該平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、当該平面光波回路において、前記入力導波路および出力導波路はＥ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの少なくとも一つの横モードが伝播する導波路であって、Ｅ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの前記入力導波路の一つから入力される一つの横モードが、前記スラブ導波路の端部で分岐比が１：１で分岐されるよう、当該スラブ導波路のＹ方向１次の横モード群とＹ方向高次の横モード群との分散曲線の相似性に基づいて、前記スラブ導波路の幅および長さと、前記入力導波路および出力導波路の前記スラブ導波路への接続位置とが設定されており、当該コア厚さを有する平面光波回路における前記入力導波路および出力導波路のうちの曲げ部分を有する導波路において、Ｅ11モードが当該導波路の曲げ部分に閉じ込められて伝播するよう、当該導波路を水平方向（Ｘ方向）に曲げることができる最小曲げ半径をＲmin,11に、Ｅ11モード及びＥ１Ｍモードの正規化伝播定数を其々ｂ11、ｂ１Ｍに、それぞれした時、当該平面光波回路の曲げ半径Ｒが、Ｒmin,11×ｂ11÷ｂ１Ｍより大きいことを特徴とする。
【００２２】
請求項２に係る発明によれば、｛ＥX1｝モード群内での合分波特性を所望の特性に設計すれば、同一の回路で同時に｛ＥXY｝モード群内での合分波特性においても同一の特性が得られる。また、必要最小限の曲げ半径で、｛Ｅ1Y｝モードの曲げ損失が小さいファンアウト導波路等が設計できる。その結果、複数のモード群の合分波を単一の素子で同時に実現でき、かつチップサイズは必要最小限で且つ低損失な光回路が実現できる。
【００２３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光回路を複数含んでなる光回路群と、当該光回路群に含まれる複数の光回路を相互に接続する光遅延導波路とを含む平面光波回路であって、当該平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、当該平面光波回路において、前記光遅延導波路はＥ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの少なくとも一つの横モードが伝播する光遅延導波路であって、当該コア厚さを有する平面光波回路における前記光遅延導波路の曲げ部分において、Ｅ11モードが当該導波路の曲げ部分に閉じ込められて伝播するよう、当該導波路を水平方向（Ｘ方向）に曲げることができる最小曲げ半径をＲmin,11に、Ｅ11モード及びＥ1Ｍモードの正規化伝播定数を其々ｂ11、ｂ1Ｍに、それぞれした時、当該光遅延導波路の曲げ半径ＲがＲmin,11×ｂ11÷ｂ1Ｍより大きいことを特徴とする。
【００２４】
請求項３に係る発明によれば、単一の基板に作製した平面光波回路で、Ｘ、Ｙ両方向の電磁界分布で区別できる全ての横モードをモード合波分離することが可能になる。
【００２５】
請求項４に係る発明は、平面光波回路のコア厚さが、高さ方向（Ｙ方向）の正規化周波数ｖが２以上を満たすコア厚さを有し、当該平面光波回路は、Ｅ11モードからＥ1ＭモードまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の横モードのうちの少なくとも一つの横モードが伝播する平面光波回路であって、コア上部の一部を少なくとも３箇所以上の非等幅の溝を形成することにより除去し、除去部と非除去部との間に、光信号光の半波長分の光路長差を付与することにより、Ｅｐ1モードとＥｐＭモード（ｐは１以上の整数）とのモード変換を行うことを特徴とする。
【００２６】
請求項４に係る発明によれば、導波路コア上部の一部を除去し、光路長差を付与することにより、Ｅ1YモードをＥ11モードに変換する光モード変換器を実現できる。また、請求項４に係る発明を使用すると、Ｘ、Ｙ両方向の横モードをモード変換・合波分離する光回路を作成する場合に、複数の基板に形成した平面光回路を９０度基板方向が異なるように接続するという工程が不要になるため、コストを下げることができ、かつ、接続箇所が増えるために起きるサイズ増加を防ぐことが可能になる。さらには、導波路除去部を複数箇所に分割し、かつ、溝幅を徐々に変化させることにより、光モード変換器全体の損失を下げることができる。これは与えたい光路長差が溝幅に比例する一方で、損失が溝幅の２乗の関数であること、および溝断面の数が増えると散乱要因も増えること、さらには溝を形成した近傍では、光閉じ込めの効果が弱くなり有効屈折率が小さくなりモード径が拡大するので、溝幅を徐々に変えることにより、導波路除去部全体でモード不整合による放射損を小さく抑えることができるためである。
【００２７】
請求項５に係る発明は、複数の入力ポートに入力された基本モード（Ｅ11モード）入力信号光について、  請求項４に記載の光回路をＮ組Ｍ種類（計Ｍ×Ｎ個、Ｎ，Ｍは、２以上の整数）使用して、Ｅ11モードからＥ1MまでのＮ組の横モード光に変換出力し、  さらに、請求項３に記載の光回路をＮ個使用して、Ｅ11モードからＥ1MまでのＮ組の横モード光を、其々｛Ｅ1Y｝モード群にモード合波し、さらに、請求項１に記載の光回路を使用して、Ｎ組の｛Ｅ1Y｝モード群を其々｛Ｅ1Y｝モード群から｛ＥNY｝モード群にモード変換し、同時に各組を一つの出力ポートに出力することにより、複数の基本モード光を、複数の横モード光が混在した出力信号光に変換して出力することを特徴とする。
【００２８】
請求項６に係る発明は、一つの入力ポートに入力された複数の横モード光が混在した入力信号光について、請求項１に記載の光回路を使用して、｛Ｅ1Y｝モード群から｛ＥNY｝モード群までのＮ組にモード分離し、同時に各組を其々｛Ｅ1Y｝モード群にモード変換し、さらに、請求項３に記載の光回路をＮ個使用して、当該モード変換されたＮ組の｛Ｅ1Y｝モード群を、其々Ｅ11モードからＥ1MまでのＭ個の横モード光に分離し、さらに、請求項４に記載の光回路を使用して、当該Ｎ組Ｍ個（計Ｎ×Ｍ個）に分離された横モード光を其々Ｅ11モードに変換し、複数の出力ポートに出力することにより、複数の横モード光が混在した入力信号光を、横モードの種類毎に分離し、且つ基本モードに変換して出力することを特徴とする。
【００２９】
請求項６に係る発明によれば、Ｘ、Ｙ両方向の電磁界分布で区別できる全ての横モードをモード変換・合波分離可能な光素子を単一基板上に実現できる。また、既存の製造プロセスのみの組み合わせで作成できるため量産化、低コスト化に優れる。特に平面光波回路して石英系光導波路を使用すれば低損失で信頼性にも優れた光回路を提供できる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明の平面光波回路型デバイスを使用すれば、簡易なプロセスで、基板に対し水平方向の高次モード光だけでなく、垂直方向の高次モード光も同時に、しかも高消光比でモード変換あるいは合波分離するデバイスを提供することが可能になる。さらに、基本モード光の光デバイスで実績のある石英系光導波路を使用すれば、量産性や信頼性に優れたデバイスを、大容量伝送が期待されるマルチモード伝送システムに提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】非等幅方向性結合器を使用したモード合波・分離器の動作原理を説明する図である。
【図２】Ｍａｒｃａｔｉｌｉによる三次元光導波路におけるモードの命名方法の説明図である。
【図３】石英系導波路の分散曲線を計算した図である。
【図４】ｖ値３．９５の方形光導波路の分散曲線をあらわした図である。
【図５】ｖ値５．２７の方形光導波路の分散曲線をあらわした図である。
【図６】光導波路曲線部の屈折率分布を説明する図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による平面光波回路の回路構成図である。
【図８】本発明の第１の実施形態で使用する光モード変換合波・分離器の説明図である。
【図９】本発明の第１の実施形態で使用する光合分波器の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による平面光波回路の回路構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態で使用する光合分波器の説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による平面光波回路の回路構成図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態で使用する光モード変換器の説明図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態による平面光波回路の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。  
【００３３】
［発明の原理］
まず、本発明の原理について、説明する。
【００３４】
上述の図１（ｃ）は、コア厚さ６μｍ、比屈折率差１％の石英系導波路について、導波路断面の全方向にメッシュを設定して数値解析した結果である。導波路幅５μｍ以上の直線導波路であれば基本モード（Ｅ11モード）以外のＸ方向の高次モード（ＥX1モード）が伝播しうるという結果を表している。Ｙ方向の横モード（Ｅ1Yモード）の複数が伝播可能にするには、コア厚さを５μｍ以上にすれば良い。
【００３５】
また、図３は、コア厚さ９μｍの石英系導波路について等価屈折率を数値解析した結果である。ここで導波路一般の議論をするために数式（１）から（３）であらわされる比屈折率差Δ、正規化周波数ｖ、正規化伝播定数ｂというパラメータを導入する。
【００３６】
【数１】
0005715072.tif 000002
【００３７】
ここでｎ1とｎ0は、其々コアとクラッドの屈折率、波数ｋは、２πを波長λで割った値である。またｗは、導波路幅で、ｎeは、各横モードの等価屈折率である。
【００３８】
計算に使用した波長λは、１．５５μｍなので、コア厚さ５μｍと９μｍは、垂直方向の正規化周波数ｖYに換算すると２．１９および３．９５になる。すなわち、前述の複数のＥ1Yモードが伝播可能になる条件コア厚さ、５μｍ以上は、正規化周波数ｖYに換算すると約２以上になる。
【００３９】
また、図３のグラフを正規化周波数ｖと正規化伝播定数ｂとに換算すると、図４（ａ）になる。ここで、正規化伝播定数ｂを｛ＥX1｝モード群と｛ＥX2｝モード群とに分けて、さらに｛ＥX2｝モード群の正規化伝播定数に、０．２８のバイアスを一様に加えたグラフが、図４（ｂ）である。Ｅp1とＥp2（ｐは１以上の任意の整数）の分散曲線は、一様に加えたバイアスを除けば、ｐの値に依存せずにほぼ一致する。
【００４０】
さらに、コア厚ｄを、１２μｍ（ｖY＝５．２７）と厚くし、｛ＥX3｝モード群も伝播できるようにした方形導波路の分散曲線を、計算し、整理した結果を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。｛ＥX1｝モード群と｛ＥX2｝モード群との間に見られる分散曲線の形状の一致（バイアス値を除く）は、｛ＥX1｝モード群と｛ＥX3｝モード群との間にも認められる。すなわち、非等幅方向性結合器や、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）において、回路設計時に必要になる位相整合関係あるいは位相ビート関係は、｛ＥX1｝モード群で成立すれば、他の｛ＥX2｝モード群や｛ＥX3｝モード群でも成立する。
【００４１】
さらに、横モードの等価屈折率は、電磁界分布で重み付けをした屈折率分布の積分値であることから、図５（ａ）や図５（ｂ）に認められるような分散曲線の形状一致は、水平方向の電磁界分布の形状も十分一致することを表している。すなわち、等幅および非等幅の方向性結合器において、併走する導波路を伝播するモードの重なり積分量も等しく、従って｛ＥX1｝モード群の相互作用長は、他の｛ＥX2｝モード群や｛ＥX3｝モード群の相互作用長にも一致する。
【００４２】
加えて、図５（ａ）や図５（ｂ）に認められるように、｛ＥXS｝モード群の等価屈折率と｛ＥXT｝モード群の等価屈折率との差が、水平方向の正規化周波数ｖX、すなわち導波路幅に依らず一定であることから、非対称ＭＺＩやアイレ導波路格子などのように導波路長差を有する干渉回路で、任意の｛ＥXS｝モード群と｛ＥXT｝モード群とを群分波、群合波することが可能になる。
【００４３】
図６は、非特許文献８に記載されている、曲げ半径Ｒを有する導波路の等価屈折率について説明した図である。上段図は、前提となる導波路構造の模式図であり、使用されるパラメータの説明図である。ｗは、導波路幅であり、Ｒは、導波路の曲げ半径であり、ｒは、導波路近傍の座標系を表している。中段図は、曲げ導波路を伝播するＥ1Yモードの電磁界分布のうち水平方向成分の分布を表した模式図である。下段図では、直線導波路の屈折率分布を点線で、曲線導波路の屈折率分布を太線で、さらにＥ11およびＥ12モードの等価屈折率を一点破線で表している。直線導波路の屈折率分布をｎ（ｒ）とすると、曲げ半径Ｒの曲がり導波路の屈折率分布は、導波路中心（ｒ＝０）近傍で式（４）のように置き換えることができる。
【００４４】
【数２】
0005715072.tif 000003
【００４５】
よって、式（４）より、ｒ＞ｗ／２であるクラッド領域の屈折率は式（５）で、書き表される。
【００４６】
【数３】
0005715072.tif 000004
【００４７】
一方、曲がり導波路を伝播するＥXYモードの等価屈折率は、式（３）と式（１）およびｎ1≒ｎ0であることから、近似的に式（６）のように表される。
【００４８】
【数４】
0005715072.tif 000005
【００４９】
このｎeXYが、クラッドの屈折率を上回れば電磁界は曲げ導波路に閉じ込められ、安定して伝播することが可能になる。しかし曲げ半径が小さい場合は、図６中段図のように電磁界の裾野において、ｎeXYが、クラッドの屈折率を下回り曲げ損失が顕著になってしまう。この境界の座標をｒcとすると、その値は式（５）と（６）から以下のように求められる。
【００５０】
【数５】
0005715072.tif 000006
【００５１】
図５（ａ）や、図５（ｂ）に、認められるような分散曲線の形状一致を満たす横モード同士では、水平方向の電磁界分布の形状も一致するので、ｒcも同一の値になる。すなわち、ＥX1モードにおける、最小曲げ半径を、Ｒmin，X1で発生する曲げ損失は、式（８）で表される曲げ半径を有する導波路で、ＥXYモードが被る曲げ損失と等しくなる。
【００５２】
【数６】
0005715072.tif 000007
【００５３】
Ｅ11モードは、ＳＭＦ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ）との結合が容易なので、テスト回路等を使用して、最小曲げ半径Ｒmin,11を実験から求めることができる。したがって、実験で得られるＲmin,11と式（８）とからＲmin,1Yを定めることができる。
【００５４】
［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態について、説明する。  
図７（ａ）は、第１の実施形態による光モード変換合波・分離器７００の回路の全体構成を示す図である。  
【００５５】
図７（ａ）において、１本のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）７０１に接続された第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０２が１台と、それぞれ２本のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）７０６が接続された第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路が３台７０３，７０４，７０５から構成され、第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０２と、第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０３，７０４，７０５とは、基板の向きが９０度直交するように接続されている。
【００５６】
図７（ｂ）は、第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０２の構成を示す図である。導波路幅が異なる方向性結合器からなる光モード変換・合波分離器２台７０７，７０８と、導波路幅が等しい方向性結合器からなる光合分波器１台７０９とが直列に接続された構成になっている。光波回路は、比屈折率差１％の石英系導波路で作成され、コア断面は矩形である。また、コアの厚さは、均一で９μｍであり、曲げ導波路の導波路幅は、６μｍで曲げ半径は、３ｍｍとした。信号光の波長は、１．５５μｍで、その時の導波路のコア厚は、ｖ値に換算すると３．９５である。
【００５７】
図７（ｃ）は、第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０３，７０４，７０５の構成を示す図である。導波路幅が異なる方向性結合器からなる光モード変換・合波分離器１台７１０と、導波路幅が等しい方向性結合器からなる光合分波器１台７１１とが直列に接続された構成になっている。光波回路は、比屈折率差１％の石英系導波路で作成され、コア断面は、矩形である。また、コアの厚さは、均一で、６μｍであり、曲げ導波路の導波路幅は、６μｍで曲げ半径は、２ｍｍとした。信号光の波長は、１．５５μｍで、その時の導波路のコア厚は、ｖ値に換算すると２．６３である。
【００５８】
コア厚６μｍで、導波路幅６μｍである比屈折率差１％の石英系導波路の、波長１．５５μｍでの最小曲げ半径は、テスト回路を使用した実験から２ｍｍであることが分かっている。コア厚６μｍ（ｖ＝２．６３）のＥ11モードの分散曲線（図１（ｃ））の形状と、コア厚９μｍ（ｖ＝３．９５）のＥ11モードの分散曲線（図４（ａ））の形状とが、バイアス値を除くと、ほぼ同一であることから、コア厚６μｍ、導波路幅６μｍのときの正規化伝播定数ｂ11（６ｘ６）が０．６、コア厚９μｍ、導波路幅６μｍのときの正規化伝播定数ｂ11（９ｘ６）が０．７３であるので、コア厚９μｍ、導波路幅６μｍのとき最小曲げ半径は、１．６５ｍｍと推定できる。実際、テスト回路を使った実験では、約１．７ｍｍという結果が得られた。さらに、コア厚９μｍ、導波路幅６μｍのときのＥ12モードの正規化伝播定数ｂ12（９ｘ６）が、０．４４であることから、コア厚９μｍ、導波路幅６μｍの導波路において、Ｅ11モードとＥ12モードとを曲げ損失を抑えて伝播させるには、曲げ半径は、２．７ｍｍより大きければ良いことがわかる。そこで、上述したように第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路では、曲げ導波路の曲げ半径は、３ｍｍとした。
【００５９】
図８（ａ），（ｂ）に、第２の光モード変換・合波分離器７１０の動作を説明する図を示す。細幅と太幅の導波路の幅は、其々３．５μｍと９．８μｍとした。図１（ｃ）を参照すると、太幅の導波路を伝播するＥ11モードの有効屈折率は、１．４５５であるが、細幅導波路のＥ11モードおよびＥ21モードの有効屈折率は、其々１．４５２と１．４４４以下と大きく値が異なることから、図８（ａ）に示すように、太幅導波路にＥ11モードを入射すると、導波路幅が異なる方向性結合器の部分では、Ｅ11モードは、細幅導波路には結合できずに直進し、太幅導波路からテーパ導波路を介して図中奥（上）のポートに出力される。いっぽう、図１（ｃ）から分かるように細幅導波路のＥ11モードの有効屈折率と、太幅導波路のＥ21モードの有効屈折率は、両方とも１．４５２であるので、図８（ｂ）に示すように太幅導波路にＥ21モードを入射すると、導波路幅が異なる方向性結合器部分で、太幅導波路のＥ21モードは、細幅導波路のＥ11モードに結合・変換され、図中手前（下）の導波路から出力される。このように、第２の光モード変換・合波分離器７１０は、Ｅ11モードとＥ21モードとの光モード変換・合波分離器として動作する。
【００６０】
図８（ｃ）乃至（ｆ）の図を使用して、第１の光モード変換・合波分離器７０７，７０８の動作を説明する。ここでは、細幅と太幅の導波路の幅は、其々、３．５μｍと１０．８μｍとした。図７より、細幅導波路のＥ11モードと太幅導波路のＥ21モードは、両方とも１．４５４である。その結果、図８（ｄ）と（ｆ）に示すように太幅導波路に、Ｅ21モードあるいは、Ｅ22モードを入力すると、導波路幅が異なる方向性結合器部分で太幅導波路のＥ21モードは、細幅導波路のＥ11モードに、Ｅ22モードは、細幅導波路のＥ12モードに、其々結合・変換され、図中手前（下）の導波路から出力される。いっぽう、図８（ｃ）や（ｅ）に示すように、太幅導波路にＥ11モード、あるいは、Ｅ12モードを入射した場合は、細幅導波路に位相整合する伝播モードがないためモード変換等は、行われずに、そのままの伝播モードで図中奥（上）のポートに出力される。なお結合・変換するモードの分散曲線が、バイアス値を除いて形状がほぼ一致することから、相互作用長も殆ど一致する。すなわち、Ｅ21モードとＥ11モードとを光モード変換・合波分離するように導波路ギャップや相互作用長を最適化すれば、Ｅ22モードとＥ12モードとを光モード変換・合波分離する上でも最適化された構造になり、２組の光モード変換・合波分離が同時にできる光回路が実現できる。
【００６１】
図面を使用して説明しないが、細幅と太幅の導波路の幅を其々３．５μｍと１８．０μｍとした方向性結合器では、Ｅ31モードとＥ11モード、Ｅ32モードとＥ12モードの２組の光モード変換・合波分離が同時にできる光回路が実現できる。
【００６２】
次に、図７（ｂ）に示した第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０２、および図７（ｃ）に示した第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０３，７０４，７０５のいずれにも含まれている導波路幅が等しい方向性結合器からなる光合分波器７０９，７１１の動作と役割について、図９を使用して説明する。
【００６３】
図９（ａ）と（ｂ）は、第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０３，７０４，７０５に含まれている導波路幅が、等しい方向性結合器７１１の構造と動作を表した図である。この平面光波回路は、上述したように、コア厚さ６μｍで、作成されているので、方形導波路の分散曲線は、図１（ｃ）で表される。導波路幅が等しいので、図中奥の導波路を伝播するＥ11モード、あるいは、Ｅ21モードの有効屈折率は、図中手前の導波路を伝播するＥ11モード、あるいは、Ｅ21モードの有効屈折率と其々等しい。よって、何れのモードも、位相整合がとれており、結合しやすい。しかし、Ｅ11モードとＥ21モードとでは結合の強度が大きく異なる。横モードの等価屈折率は、電磁界分布で重み付けをした屈折率分布の積分値である。従って、コア領域およびクラッド領域で屈折率分布が其々一様な場合、有効屈折率が大きい伝播モードは、コア領域から染み出した電磁界成分が少なく、逆に、有効屈折率が小さい伝播モードは、コア領域から染み出した電磁界成分が多いということをあらわしている。コア幅６μｍのＥ11モードとＥ21モードの有効屈折率は、其々１．４５４と１．４４７と大きく異なるので、コア領域から染み出した電磁界成分の割合も大きく異なり、最終的に方向性結合器の結合強度も大きく異なる結果となる。実際、実験から求められたＥ21モードでの完全結合長は、２７５μｍであるが、そのときのＥ11モードの結合率は、１７％と小さい。このような特性を使用すれば、Ｅ11モードとＥ21モードとで異なる結合率を有する光合分波器を設計・作成でき、以下に説明するようなモード純化器（モード・フィルタ）を作成することができる。
【００６４】
図９（ａ）、および図９（ｂ）に示した方向性結合器７１１では、結合長を１０９６μｍに設計した。そのため、図９（ｂ）に示すように、Ｅ21モードを図中奥のポートに入力すると、強く結合した結果、Ｅ21モードの殆どは、図中奥のポートに出力される。さらには、Ｅ21モードは、放射損の影響も受け図中手前のポートには、Ｅ21モードは、約１％の出力しか出てこない。いっぽう、Ｅ11モードは、図９（ａ）に示すように図中奥のポートに入力すると、９５％以上の結合率で図中手前のポートに出力される。このように設計した光合分波器は、クロスポートを入出力に使用すれば約１９ｄＢのモード純化器（モード・フィルタ）として動作する。
【００６５】
この図９（ａ）および図９（ｂ）を使用して説明した動作は、コア厚さ９μｍにした第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０２に含まれている導波路幅が等しい方向性結合器７０９でも同様に実現できる。図９（ｃ）から（ｆ）を使用して、モード純化器（モード・フィルタ）として設計した方向性結合器７０９の動作について説明する。ここでは、結合長を１０８７μｍに設計した。図９（ｃ）および（ｅ）に示すように、図中奥のポートにＥ11モードおよびＥ12モードを入力した場合、９０％以上の結合率で図中手前のポートに出力される。一方、図９（ｄ）および（ｆ）に示すように、図中奥のポートにＥ21モードおよびＥ22モードを入力した場合、図中手前のポートにでてくる強度は５％前後であった。このように設計・作成した光合分波器は、消光比１３ｄＢ前後のモード純化器（モード・フィルタ）として動作した。
【００６６】
以上のように、図８（ａ）および（ｂ）で説明した光モード変換・合波分離器７１０と、図９（ａ）および（ｂ）で説明した光合分波器７１１とを組み合わせることによりモード消光比の高い光モード変換・合波分離器を作成したのが、図７（ｃ）に示した第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０２である。
【００６７】
同様に、図８（ｃ）から（ｄ）で説明した光モード変換・合波分離器７０７，７０８と、図９（ｃ）から（ｄ）で説明した光合分波器７０９とを組み合わせることによりモード消光比の高い光モード変換・合波分離器を作成したのが、図７（ｂ）に示した第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路７０３，７０４，７０５である。
【００６８】
図７（ｂ）および（ｃ）に示した光モード変換・合波分離器は、いずれも基板に対して平行な方向の電磁界成分の違いにより横モードを分離・合分波する光回路であるが、図７（ａ）に示すように、互いの基板方向を９０度異なるように接続すれば、Ｅ11モードからＥ32モードまでの６つの伝播モードに対応する光モード変換・合波分離器を提供することができる。
【００６９】
上述したように、扁平コア・マルチモードファイバの報告では、偏光成分による違いを除くと電磁界分布の種類は、５つまでを想定しているので、この光モード変換・合波分離器を使用すれば、偏光成分を除く全てのモードを高い消光比で分波および合波が可能になる。
【００７０】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、説明する。  
【００７１】
図１０は、第２の実施形態の回路構成図である。この回路を使用すると、図８を使用して説明した光モード変換・合波分離器の向きを垂直にしなくてもＥ11モードとＥ12モードとの合波分離が可能になる。この回路も、Δ１％の石英系導波路で作成しコア厚さは９μｍとした。また、合分波器のスラブ導波路部分１００３を除き、導波路幅は、６μｍとし、回路の曲げ半径は、３ｍｍ以上とした。
【００７２】
図１１に、第２の実施形態で使用した光合分波器の一例を示す。スラブ導波路部１００３の幅は、２１．５μｍスラブ長は、９８０μｍとした。スラブ導波路部１００３では、Ｅ11からＥ51までの５つのモード、Ｅ12からＥ42までの４つのモードが伝播可能である。図１１（ａ）のように、図中左奥のポートから入力されたＥ11モードは、スラブ導波路１００３に入力された時点でＥ11からＥ51までの５つのモードに展開され、５つのモードの伝播定数の差に起因する干渉を起こしながらスラブ導波路１００３を伝播する。スラブ導波路１００３を伝播する最中では、様々な所にスポットを形成するが、スラブ導波路幅、スラブ長および入出力導波路位置を最適に設計すれば、スラブ導波路終端で光強度が、ほぼ、等しい２つのスポットを結ぶことができる。この位置に出力導波路を設置すれば、分岐比１：１の光合分波器を作成することができる。上述のスラブ導波路幅２１．５μｍ、スラブ長は、１１００μｍは、このようにして決めた値である。
【００７３】
このとき、図１１（ｂ）のように、図中左奥のポートからＥ12モードを入力する場合を考える。Ｅ12モードは、Ｅ12からＥ42までの４つのモードに展開され、４つのモードの伝播定数の差に起因する干渉を起こしながらスラブ導波路を伝播する。モードの成分が１つ少ないのでＥ51モードに相当する分は放射モードとなり過剰損になる。Ｅ12からＥ42までの干渉も、Ｅ11からＥ51までの干渉と同様に、モードの伝播定数の差で決定される。図４（ｂ）に示したとおり、Ｅ11からＥ41までの｛Ｅx1｝モード群の分散曲線と、Ｅ12からＥ42までの｛Ｅx2｝モード群の分散曲線とは、正規化伝播定数のオフセット以外の形状は、ほぼ同じである。すなわちスラブ導波路の形状が同じであれば、Ｅ11からＥ41までの｛Ｅx1｝モード群の干渉結果とＥ12からＥ42までの｛Ｅx2｝モード群の干渉結果もほぼ同一になる。すなわち、Ｅ11モードを入射したときと同じく、Ｅ12モードを入射した場合も、Ｅ51モードに相当する過剰損は、あるものの分岐比１：１の光合分波器として動作する。実際に作成したスラブ導波路幅２１．５μｍ、スラブ長は、１１００μｍのＭＭＩの場合、波長１．５５μｍの場合、Ｅ11モード入射時は、結合率が４８％で過剰損が０．５ｄＢであり、Ｅ12モード入射時は、結合率が４６％で過剰損が０．７ｄＢであった。
【００７４】
図面を使用しては説明しないが、スラブ導波路幅２０．５μｍでスラブ長２４０μｍである１入力２出力のＭＭＩ１００２の場合も同じく、Ｅ11モード入射時は、結合率が４９％で過剰損が０．６ｄＢであり、Ｅ12モード入射時は、結合率が５１％で過剰損が０．８ｄＢという、２つのモードでほぼ同じ結合率の合分波特性が同時に得られた。
【００７５】
このような特性の１入力２出力合分波器１００２と２入力２出力合分波器１００３とを、同じコア高さ（９μｍ）の長さの異なる遅延回路で接続し、ＭＺＩ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）回路を構成したのが図１０に示した平面光波回路１０００である。図４（ｂ）から判るように、｛Ｅx1｝モード群と｛Ｅx2｝モード群の伝播定数は、一定値（図４（ｂ）の場合Δｂ＝０．２８）だけ異なるので適切な長さの光路長差を与えれば、｛Ｅx1｝モード群と｛Ｅx2｝モード群とを２つに群分波あるいは、群合波できる光モード合波分離器を実現できる。図１０に示した平面光波回路では光路長差１７１μｍを与えた結果、波長１．５５μｍのＥ11モードとＥ12モードとを１５ｄＢ以上の消光比で分離する光モード合波分離器を得ることができた。
【００７６】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について、説明する。
【００７７】
図１２は、第３の実施形態の回路構成図である。図８を使用して説明した非等幅方向性結合器型光モード変換・合波分離器１２０１，１２０２と、図１０を使用して説明したＭＺＩ型光モード合波分離器１２０３−１２０６，１２０４−１２０７，１２０５−１２０８と、図１３（ａ）を使用して後述する光モード変換器１２０９，１２１０，１２１１とから構成される。この平面光波回路も比屈折率差Δ１％でコア厚さは、９μｍの石英系コア膜から導波路を作成した。また光モード変換・合波分離器と合分波器の部分を除き、導波路幅は、６μｍとし、回路の曲げ半径は、３ｍｍ以上とした。
【００７８】
図１３（ａ）に、光モード変換器１２０９，１２１０，１２１１の詳細を図示する。コア厚さは、９μｍで導波路幅６μｍである光導波路のコア部分の、上半分を分割して除去した構造になっている。コア部を除去したところには、オーバークラッド形成時に屈折率が低いクラッドガラスが入り込んでいる。図１３（ａ）では、模式図であるため分割数は５つで描いているが、実際には、溝幅約３．８μｍ、約６．２μｍ、約１２．５μｍ、約１５μｍ、約１２．５μｍ、約６．２μｍ、約３．８μｍの７つの分割溝をコア上半分に形成した。溝幅の総和は、約６０μｍになるように設計し、コアガラスとクラッドガラスの屈折率差を考慮すると、信号光波長１．５５μｍの半波長分に相当する光路長差を与え、その結果、Ｅ11モードをＥ12モードに変換する光モード変換器として動作するように設計した。
【００７９】
上記のように設計し、試作した光モード変換器は、過剰損失は、０．８ｄＢであり、Ｅ11モードからＥ12モードへの変換効率は、８０％であった。なお比較のため溝を分割せずに、１つの溝で、半波長分の光路長差を付与した光モード変換器では、過剰損が２．８ｄＢと大きかった。
【００８０】
ここでは、図１３（ｂ）に、模式図のみ示すが、Ｅ11モードをＥ13モードに変換する光モード変換器１３０１を作成する場合は、分割溝の深さをコア上部から１／３の高さまでのものと、分割溝の深さをコア上部から２／３の高さまでのものとを組み合わせれば良い。
【００８１】
図１２に戻って、第３の実施形態の回路全体の動作について説明する。回路左端の太幅導波路から｛Ｅ11、Ｅ21、Ｅ31、Ｅ12、Ｅ22、Ｅ32｝の６つのモードからなる信号光が入力されると、非等幅方向性結合器型光モード変換・合波分離器１２０１，１２０２で｛Ｅ11、Ｅ12｝｛Ｅ21、Ｅ22｝｛Ｅ31、Ｅ32｝の３群に分離され同時に其々モード変換され３組の｛Ｅ11、Ｅ12｝が出力される。次に、ＭＺＩ型光モード合波分離器１２０３−１２０６，１２０４−１２０７，１２０５−１２０８で３組の｛Ｅ11、Ｅ12｝が其々、Ｅ11モード光とＥ12モード光とに分離、出力される。ＭＺＩ型光モード合波分離器からＥ12モード光が、分離出力されるポートには、図１３（ａ）で説明した光モード変換器１２０９，１２１０，１２１１が接続されているので、Ｅ12モード光は、Ｅ11モード光に変換出力される。このように回路左端の太幅導波路に入力された６つのモードは、モード毎に分離変換され、ＳＭＦと整合が良いＥ11モードとなって回路左端の各導波路から出力される。
【００８２】
逆に、回路左端の各導波路から６つのＥ11モード光を入力した場合、まず、図中上から１、３、５番目の導波路に入ったＥ11モード光は、図１３（ａ）で説明した光モード変換器１２０９，１２１０，１２１１によって、Ｅ12モード光に変換される。図中上から１番目の導波路に入力されたＥ11モード光と、２番目の導波路に入力され、Ｅ12モード光に変換された信号光は、ＭＺＩ型光モード合波分離器１２０３−１２０６で、１つの導波路に合波され、出力される。同様に、図中上から３番目と４番目の導波路に入力された信号光も、５番目と、６番目の導波路に入力された信号光も、其々合波され、出力される。さらに、３つのＭＺＩ型光モード合波分離器のうち図中上から１番目のＭＺＩ型光モード合波分離器１２０３−１２０６から出力されたＥ11モード光とＥ12モード光は、非等幅方向性結合器からなる光モード変換・合波分離器１２０２によって其々Ｅ21モード光とＥ22モード光に変換され、図中上から２番目のＭＺＩ型光モード合波分離器から出力されたＥ11モード光と、Ｅ12モード光と合波される。さらには、図中上から３番目のＭＺＩ型光モード合波分離器から出力されたＥ11モード光とＥ12モード光は、其々Ｅ31モード光とＥ32モード光に変換され、上記、Ｅ11、Ｅ12、Ｅ21、Ｅ22モード光と合波され回路左端の太幅導波路から出力される。
【００８３】
この第３の実施形態の光回路と第１の実施形態の回路とを比較すると、定性的な光機能としては、全く同じ光モード変換・合波分離機能を有する。しかし、第３の実施形態の光回路は、１つの基板のみから構成されているので、導波路同士の接続に伴う人件費という大きなコストが削減できる。また、第１の実施形態の回路では、導波路同士の接続に冗長なチップ面積およびモジュール体積を必要とするが、第３の実施形態の光回路では必要がないので、小型化や量産性に優位性がある。
【００８４】
なにより、第３の実施形態の光回路も、第１の実施形態の回路も、通常の導波路作製技術をそのまま転用でき、チップ作製には、特殊あるいは煩雑な工程は必要がないと云う特色を有する。
【００８５】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について、説明する。
【００８６】
図１４は、第４の実施形態の回路構成図である。この平面光波回路も比屈折率差Δ１％の石英系導波路で作製した。ただし、コア厚さは、１２μｍとした。このアレイ導波路格子１４００のスラブ導波路部分１４０２，１４０４以外の導波路１４０１，１４０３，１４０５の幅は、６μｍとし、Ｅ11、Ｅ12、Ｅ13の各モード光が曲げ損失なしに伝播するように曲げ半径を５ｍｍとした。このとき波長１．５５μｍでのＥ11、Ｅ12、Ｅ13モードの有効屈折率は、其々１．４５６、１．４５３、１．４４９であり、その結果、アレイ導波路格子１４００の出射スラブ１４０４での集光位置は、Ｅ11モードとＥ12モードとの間が、光周波数差に換算して４１４ＧＨｚ分、Ｅ12モードとＥ13モードとの間が６５９ＧＨｚ分ずれた位置になる。アレイ導波路格子１４００のＦＳＲを１０７３ＧＨｚ以上に設定すれば、Ｅ11モード、Ｅ12モード、Ｅ13モードは其々異なる位置に集光するので、図１４に示したアレイ導波路格子１４００では、基本の光路長差を約８５μｍ（Ｅ11モードで、ＦＳＲ  ２４１２ＧＨｚに相当）として設計した。また、スラブ導波路１４０２，１４０４は、幅１．５ｍｍで長さ約６．８ｍｍとし、さらに１００ＧＨｚ間隔の三波のＷＤＭ信号が合分波できるように、最も短波側のポート位置から、光周波数差に換算して、０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、２００ＧＨｚ、４１４ＧＨｚ、５１４ＧＨｚ、６１４ＧＨｚ、１０７３ＧＨｚ、１１７３ＧＨｚ、１２７３ＧＨｚの位置に其々出力ポート１４０５を配置した。
【００８７】
図１４では、作製したアレイ導波路１４０３が光信号を波長合分波とモード合波分離とを同時に行う様子も図示している。１．５５μｍ帯で光波長が１００ＧＨｚ間隔で異なる３つの波長が含まれ、かつ、伝播モードもＥ11、Ｅ12，Ｅ13の異なる３つのモードが含まれる合計９種類の信号を、図中左側のポート１４０１から入力すると、図中右の異なるポート１４０５から、９種類の光信号が分波・分離されて出力される。
【００８８】
このように１つの平面光波回路で、光波長および横モードで多重化した光信号を一括で合分波することが可能になる。
【符号の説明】
【００８９】
７０１  マルチモードファイバ（ＭＭＦ）
７０２  第１の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路
７０３，７０４，７０５  第２の光モード変換・合波分離器を含む平面光波回路
７０６  シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
７０７，７０８，７１０  光モード変換・合波分離器
７０９，７１１  光合分波器
１００１，１４０１  入力導波路
１００２，１２０３，１２０４，１２０５  １入力２出力合分波器
１００３，１２０６，１２０７，１２０８  ２入力２出力合分波器
１００４，１４０５  出力導波路
１２０１，１２０２  非等幅方向性結合器型光モード変換・合波分離器
１２０９，１２１０，１２１１  光モード変換器
１４０２  入射スラブ導波路
１４０３  アレイ導波路
１４０４  出射スラブ導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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